磷灰石裂变径迹方法原理与研究进展

磷灰石裂变径迹方法原理与研究进展

：忠炎

班级：矿物S162

学号：201671305

磷灰石裂变径迹方法原理与研究进展

一、磷灰石裂变径迹分析方法原理的提出

磷灰石裂变径迹分析是一种揭示岩石低温热年代学的有力工具，它建立在20世纪70年代。磷灰石裂变径迹分析是一种揭示岩石低温热年代学的有力工具，它建立在238U自发裂变辐射损伤效应，在实验基础上来观察辐射损伤特征，并利用数学地质模型模拟岩石所经历的低温热演化史。

Fleischer等(1975)将裂变径迹的定义为：238U自发核裂变会产生具有很高能量的带电重粒子，当高能量带电重粒子(238U)穿过绝缘固体材料时，会在固体材料如磷灰石中留下放射性的狭窄痕迹，称之裂变径迹(Fleischer al．，1975)。在上述过程中，Fleischer 等(1988)发现238U 将会分裂成两个大致相同的高能带电粒子向相反方向飞行，每个粒子带电大约在40～160MeV( Fleischer et al．，1988）。Gleadow 等（1986) Green （1988）和Donelick （1990）等均实验并最终证实这些核裂变产生的高能带电粒子能在固体材料上留下大约16～18μｍ的线性裂缝（Gleadow et al，1986；Green，1988；Donelick et al.，1990）。这些线性裂变径迹可以通过化学酸蚀处理可视化，进而可被光学显微镜观察。

相对低温下稳定的磷灰石裂变径迹在60°Ｃ以上会发生退火，而且会不断累计（Donelick et al．，1981）。这意味着磷灰石裂变径迹很少代表岩石的形成年龄，主要代表其低温演化的年龄（Gleadow et al．，1986）。磷灰石裂变径迹退火行为受温度影响的。Duddy等（1988）在其恒温退火的描述与温度随时间变化吻合的实验过程中，利用“等效时间原理”解释实验现象，印证了该原理。磷灰石的退火行为一旦发生就受温度及时间的因素影响，而且温度是主导因素（Duddy et al．，1988）。

二、磷灰石裂变径迹的退火行为

1.退火行为所受影响因素

1.1磷灰石的主要元素及238U的富集

根据Barbarabd等（2003）、Green等（1986）和Carlson等（1999）的研究，磷灰石的裂变径迹退火率与磷灰石中的主要元素如Cl，F，Mn，Fe等富集程度及238U的富集（含量10×10-6以上）等相关。磷灰石裂变径迹的退火速率可以根据刻蚀坑尺寸来计算，而刻蚀坑尺寸可以通过磷灰石的溶蚀体积来衡量（Barbarabd et al．，2003；Green et al．，1988；W．D．Carlson et al．，1999）。Gleadow和Duddy等认为磷灰石的成分组成对磷灰石的

退火行为起着主要的控制作用（Gleadow et al．，1981）。

1.2 α衰变

Carlson等学者（1999）提出物理因素，例如结构应力、α衰变亏损等也有可能会影响磷灰石裂变径迹的退火率（Carlson et al．，1999）。Ritter等（1986）利用核废料对磷灰石进行退火行为研究，发现α衰变可以促进退火行为（Ritter et al．，1986）。Weber 等（1997）进一步的研究证明，α衰变使得锆石由晶体形态向无序形态变化（Weber et al．，1997）。Rahn （2004）等在对锆石的裂变径迹研究中证明了α衰变亏损对锆石的裂变径迹退火率的影响（Rahn et al．，2004）。Hendriks 等（2005）在利用磷灰石裂变径迹方法研究克拉通盆地的沉积－剥蚀演化时提出，应该注意辐射加强效应引起的径迹退火，特别是由锕系元素（如238U）引起的α发射，辐射加强效应会导致磷灰石裂变径迹年龄变小（Hendriks et al．，2005）。但是由于一般情况下，辐射效应难以在磷灰石的退火行为中得到观察，退火模型中一般都不考虑α衰变的影响。

1.3压力及应力

Wendt等（2003）实验研究发现,压力及应力也可以影响裂变径迹的退火行为。其实验发现持续的增压会减慢退火速率，而在较大的应力下，退火甚至表现的与温度无关；并建议将压力、应力、温度等因素的影响纳入退火模型的建立（Wendt,2003）。

综合以上前人研究，退火行为除了受磷灰石所受温度和时间影响外，影响磷灰石裂变径迹退火的因素主要有磷灰石中主要元素（如Cl，F，Mn，Fe等）的富集程度，磷灰石所受物理因素如应力、压力及238U所造成的α发射等因素的影响。

2.退火行为的实验观察

在测定径迹密度、径迹长度等裂变径迹数时，目前存在着一定的困难。裂变径迹分为两种，包括自发裂变径迹和诱发裂变径迹。238U的裂变辐射损伤是真正在地质历史过程中导致自发裂变径迹的积累。而235U的裂变损伤是由中子诱发来测定矿物的U含量的。在磷灰石裂变径迹分析中，需要统计238U 自发产生的裂变径迹及中子诱发235U裂变造成诱发径迹。238U自发产生的裂变径迹在地质过程中产生。然而，在实验室诱发过程中，232Th及238U 等不可避免的也被诱发，影响诱发径迹的实验观察。Iunes等人（2002）提出一种测量中子对裂变径迹分析影响的方法，通过该方法可以测出磷灰石中的Th/U 值，从而校正诱发裂变径迹测量时对数据的影响（Iunes et al．，2002）。

2.1观察裂变径迹的局限

为了获得并解释磷灰石裂变径迹数据，通常会测定样品中被限定做分析的裂变径迹的长度分布用来描述其低温热演化史。被限定分析的裂变径迹将被完全刻蚀，径迹末端也可观察。为了测定长度分布，只有那些水平的裂变径迹其所在面平行于结晶C轴的会被测量，所以才带来了一些误差。这些得到的长度分布能被用来模拟样品的低温演化。

2.2 退火行为的各向异性

未退火或者轻微退火的裂变径迹显示比较小的各向异性，这很有可能是刻蚀的影响。在退火过程中，裂变径迹在与C轴高角度相交的方位会比低角度与C轴相交的方位更易退火G （图1）。

磷灰石的刻蚀是各向异性的，沿C轴方向裂变径迹会更易刻蚀，且会加宽Ketcham在总结前人研究基础上，提出用C轴投影法会为消除结晶角的影响提供一种可能性的思路，从而能够得到更多的裂变径迹长度数据，并能够更多的反映地质信息（Ketcham，2005）。

三、磷灰石裂变径迹的独特性

磷灰石裂变径迹作为一种有效的测年工具，具有其不可替代性：?磷灰石是一种广泛分布的常见副矿物，可以研究不同类型的地质体。?磷灰石的裂变径迹保留温度相对较低，这使其能很好的限定地质体的低温热年代学。

但是，目前该方法还存在一些不完善的地方：?目前的退火模型无法非常好的限定磷灰石裂变径迹退火行为的影响因素。?温度、压力、应力等因素在纳入退火模型准确模拟其影响还比较困难，这在上文已有阐述。?由于往往没有其他地质证据的对比和约束，磷灰石的裂变径迹信息难以验证。值得一提的是，有的学者做出了有益的尝试，如Resak等利用镜质体获得的地热数据来校正及对比磷灰石裂变径迹数据，更加有说服力地揭示了中波兰凹陷的地温演化史（Resak et al．，2010）；Qiu等综合磷灰石锆石的（U-Th）/He年龄数据和磷灰石的裂变径迹数据及镜质体反射率数据，模拟了柴达木盆地的巴楚隆起的构造热演化。也使得该构造热演化史的结论更有说服力（Qiu et al．，2011）。

Jonckheere （2003）指出了该方法目前的不完善之处：实际上，在地质时间尺度上，周围环境的温度影响对磷灰石的裂变径迹有修补作用；然而，我们是很难在相对高温的实验室条件下观察到这些修补作用。这就会导致裂变径迹数据不够准确。而且，现代的模拟程序限制了解决问题的围并且倾向于一些具体的模拟温度时间曲线的方法。并指出了裂变径迹退火模型的存在的缺陷：现行的模拟方法过于简单，而且裂变径迹的结果中的那些温度峰值或者复合峰值被磷灰石晶体径迹中的无损晶格和无定形的核之间的原子重排给重新修正了。事实上一些较大的晶体缺陷会对刻蚀过程有影响，把刻蚀径迹看成独立的晶体损伤过于简单Jonckheere （2003）。

在实验方法上，对磷灰石晶体的裂变径迹分析很大程度上决定于它的表面和径迹刻蚀特征。传统方法中这个过程是靠人工统计完成的。而M．Peternell等（2009）通过研究尝试用电脑量化磷灰石晶体的几何特征辅助人工的磷灰石裂变径迹的统计分析方法来代替传统方法。这是使裂变径迹统计方法迈向自动分析的有意义的尝试（Peternell et al．，2009）。

四、磷灰石裂变径迹的应用进展

1磷灰石裂变径迹在盆地分析中的应用

总的说来，磷灰石裂变径迹分析是研究沉积盆地古地温与烃类演化的一种很好的方法。它不仅能了解沉积盆地的最高古地温，而且可以了解不同地质时期古地温的变化，进而可以确定生油窗及成油期（滕殿波等，1996）。磷灰石裂变径迹分析适用于多种类型的地层，包括强氧化环境、有机质组分贫乏的红层。这种方法除提供热信息外，还可以研究沉积盆地的抬升速度、侵蚀厚度、物质来源、地层的形成年龄（善鹏，2003）。值得注意的是单颗粒磷灰石裂变径迹的年龄代表的是磷灰石进入径迹保留温度后所经历的时间，而在对一个样品的磷灰石裂变径迹进行统计研究时，必须谨慎使用地层形成年龄及简单的地质体冷却抬升来描述磷灰石裂变径迹年龄。例如朱文斌等（2004）对吐鲁番－哈密盆地中部连木沁剖面和南北山前带的9个样品进行磷灰石裂变径迹测年，得出了在晚白垩世120～100 Ma，吐哈盆地发生构造抬升，地层快速冷却剥露，岩层在新生代二次埋藏加热，至10～8Ma又再次露的构造热史的结论（朱文斌等，2004）。

磷灰石裂变径迹在盆地分析中显得越来越重要，如前所述，在结合了同位素分析，镜质体反射率分析等其他分析方法，磷灰石裂变径迹可以很好地模拟了盆地的低温构造热演化史。而且，这种结合其他分析方法的综合性分析是对更好的模拟盆地构造热史的必然要求。

裂变径迹（包括磷灰石，锆石等）也完全可以对老地层甚至是前寒武的地层、岩体或火山岩进行分析测试，进而了解其低温构造演化史，如Zhanget等（2009）对新疆阿克的前寒武的蓝片岩地层进行了裂变径迹分析，在基于区域地层及同位素年代学研究资料的基础上，将塔里木基底的温度构造演化史分为4个阶段并予以详细解释（Zhanget al．，2009）。

磷灰石裂变径迹分析应用于断裂作用研究是近年才兴起的研究新热点，断层的形成年龄与裂变径迹有着密切的关系（松峰等，2009）。当断裂活动时，温度较高，超过了磷灰石的径迹退火温度，由于断裂发生在较短的时间里，因此当断裂停止，温度快速下降后，磷灰石裂变径迹就记录了断裂的冷却年龄，可以近似的看作是断裂的活动时代。建辉（2009）对海原断裂带的大沟门、香山－天景山断裂带的红谷梁及小洪沟横跨断层采集了包括断层主滑动面上的断层泥、碎裂岩及断层围岩13个样品，进行了磷灰石裂变径迹分析，裂变径迹分析结果并没有获得断层摩擦生热的证据，表明这些断层在地震滑动过程中的摩擦增温非常有限，没有达到磷灰石裂变径迹热年代计年体系可加载热信息温度－时间要求。并指出只有

震级大、断层滑动距离和速率大、摩擦强度强的断层，或者位于一定深度有大量摩擦热生成的断层，才能使断层附近增温达到磷灰石裂变径迹退火温度（建辉，2009）。至于何种程度的断层活动才能被磷灰石裂变径迹记录下来目前还了解的不够充分。

在有关盆地沉积与盆缘隆升剥蚀之间耦合关系，基本上停留在定性的描述方面，对盆缘山体剥蚀量及其对原形盆地改造研究很少有报道。而盆山耦合关系和后期的发展演化对盆地沉积相带的展布及改造具有重要的控制作用（效忠等，2008）。盆缘的隆升多与造山带的隆升及其大陆动力背景有关，磷灰石裂变径迹作为一种能够了解地质体低温演化的很好的方法，能够使得关于盆山关系的工作得到进一步加强。

2 在青藏高原的隆升研究中的应用

目前，研究青藏高原隆升过程的研究手段总的来说主要有综合古地理研究和同位素分析、裂变径迹分析（柏道远等，2004），隆升机制的研究方法主要为数值模拟。钟大赉等（1996）在结合前人研究基础上利用磷灰石裂变径迹资料研究青藏高原隆升时提出青藏高原多阶段的隆升模式（钟大赉等，1996）。傅容珊等（2000）利用数值模拟提出青藏高原隆升的三阶段模式，即断离隆升—挤压隆升—对流隆升（傅容珊等，2000）。后经祖宁等人（2002）修正，更好的模拟了其隆升过程（祖宁等，2002）。

磷灰石裂变径迹分析正越来越多地应用于造山带的隆升研究。尤其是青藏高原的隆升。青藏高原持续强烈的隆升主要集中在新生代，其隆升过程﹑大陆动力机制一直是国外学者的研究热点。喜马拉雅的折返是青藏高原隆升研究的重要容。

Koons（1995）、Koons et al （2002）、Thiede et al（2005）、Patel et al（2007）等先后提出喜马拉雅的折返陆陆碰撞的热、构造改造和后期的剥蚀改造共同作用有关。因此陆陆碰撞的热﹑构造改造和后期的剥蚀改造二者之间的相互作用及二者对喜马拉雅的折返作用的研究非常重要，磷灰石裂变径迹方法有助于这一容的研究）。Johnson（1997）提出了基础构造数据如变形数据等结合磷灰石裂变径迹数据方法来了解造山带的低温演化史进而了解造山带折返动力机制的方法。也有学者结合同位素的分析数据，利用磷灰石裂变径迹，做了桐柏－大别造山带中超高压带的白垩和新生代的构造演化史的工作。

柏道远等（2004）提出了绝对隆升量对于研究青藏高原隆升及其大陆动力机制研究的重要意义，并进一步阐述了绝对隆升量与视隆升量之间的关系及计算方法（柏道远等，04）。如拜永山等（2008）利用采于祁漫塔格西沟地区不同高度的早二叠世的似斑状二长花岗岩侵入体的9个样品对其进行磷灰石裂变径迹测试分析（拜永山等，2008）。拜永山等根据“年

龄－地形高差法”对同一山体进行了上升速率的计算，计算得出了祁漫塔格造山带在中新世早中期的早期隆升速率为111m/Ma，晚期隆升速率为98m/Ma，总体隆升速率为100m/Ma。我认为其所谓隆升速率为视隆升速率，隆升速率的算法应采取柏道远等提出的径迹年龄－海拔高程法来计算。